Eurocoduri: Proiectarea geotehnică

Eurocodurile sunt un set de standarde europene (EN), referitoare la proiectarea în domeniul construcțiilor civile și a produselor de construcție prefabricate. Ele reprezintă referința generală a standardelor naționale în vigoare și permit profesionistului să poată proiecta și în străinătate, prin criterii comune de calcul.

Istoria Eurocodurilor

În 1975, Comisia Europeană a decis să creeze un set de norme  pentru proiectarea lucrărilor civile. Ulterior, în 1990, au fost publicate primele schițe ale Eurocodurilor (cu abrevierea ENV din partea germană Europäische Norm Vorübergehend sau Europäische VorNorm care indică versiunea provizorie). Ulterior, odată cu atribuirea către CEN (Comitetul European de Normalizare), acestea ajung la statutul de Standarde Europene (de aici inițialele EN) în versiunea definitivă.

Numerotarea Eurocodurilor

Numerotarea, în general, se bazează pe ultima cifră care indică standardul: astfel EN 199X devine Eurocodul X, cu excepția EN 1990.

Figura 1 – Schema de tip Eurocod

Eurocod 7 – EC7

Proiectarea stării limită:

Serviciu sau exercițiu (SLS): verificarea stărilor limită de exercițiu pe teren sau într-o structură/lucrare necesită ca:

E_d ≤ C_d

Unde Ed este valoarea de proiectare a efectului de acțiune (tasarea calculată de noi), iar C_d este valoarea limită prescrisă a efectului acțiunilor.

Stat limită ultim (ULS): Cu coeficienți de siguranță parțiali (asupra acțiunilor, efectelor acțiunilor, caracteristici de rezistență și rezistență globală).

Exemplu: Verificări ULS ale fundației

1. 1. Se determină ”descărcările” de proiect la fundație;

2. Caracterizarea geotehnică a subsolului cu determinarea parametrilor caracteristici (c’k, Φ’k);

3. Determinarea parametrilor de proiectare (de exemplu c’d = c’k/Yc);

4. Determinarea sarcinii limită de proiectare, R_d;

5. Verificare: E_d ≤ R_d

Stat limită ultim (ULS – Ultimate Limit States)

Pentru fiecare ULS trebuie verificat dacă efectul acțiunilor proiectului (E_d) nu este mai mare decât rezistența proiectului (R_d):

Desigur, nu trebuie depășite următoarele stări limită:

• EQU: Pierderea echilibrului general al structurii sau al pământului, considerat ca un corp rigid, în care rezistențele componentelor structurale și ale terenului nu sunt relevante pentru a oferi rezistență;
• STR: Ruptură internă sau deformare excesivă a elementelor structurale sau a structurii, inclusiv a fundațiilor, stâlpilor/grinzilor, unde rezistența componentelor structurale este semnificativă în asigurarea rezistenței.
• GEO: Ruptura sau deformarea excesiva a terenului, daca rezistenta solului sau rocii este semnificativa în asigurarea rezistenței;
• UPL: Pierderea echilibrului structurii sau a terenului datorită ridicării din cauza subpresiunii hidraulice sau flotabilității;
• HYD: Prăbușirea solului cauzată de sifonare sau eroziune internă (gradienți hidraulici excesivi).

Cele trei abordări ale proiectării (Design Approach)

Când au început lucrările la elaborarea Eurocod 7, Eurocodurile anterioare s-au bazat pe proiectarea  statelor limită finale cu utilizarea coeficienților parțiali. În etapa de proiectare geotehnică, experții au decis să continue această abordare inovatoare. De fapt, până la acea dată, în domeniul geotehnic nu a existat nicio experiență în aproape toate țările implicate: Proiectarea era bazată pe metoda tensiunilor admisibile cu utilizarea factorilor de siguranță globali (Overall Factor of Safety, OFS’s).

Dificultatile întâmpinate în aplicarea coeficienților parțiali au fost:

• Condițiile geologice variază de la o zonă a Europei la alta, ceea ce a dus inevitabil la proceduri diferite de testare in situ;
• Greutatea proprie a terenului, în proiectarea geotehnică, este un factor principal și este dificil să se stabilească cu exactitate dacă este o acțiune favorabilă sau nefavorabilă.

Coeficienți parțiali ai parametrilor solului sau a acțiunilor și rezistențelor ? Se reduc c’, ɸ’, c_u? Acțiunile sunt crescute, se reduc împingerea activă, împingerea pasivă și sarcina limită? Idei diferite între filozofiile de proiectare.

Odată cu redactarea Eurocodului 7 provizoriu (ENV), a fost introdus conceptul de abordare de proiectare (Design Approach), prin introducerea a două combinații de calcule de proiectare la starea limită finală: Combinația 1 și combinația 2. Dar, dupa diverse discutii, versiunea EN a Eurocod 7 – partea I a inclus, dupa cum s-a mentionat mai sus, cele 3 de abordari de proiectare:

1. Abordarea 1 de proiectare (Design Approach 1 -DA1):
   • Combinația 1 (DA1-C1): cu coeficienți parțiali numai pe acțiunile A1 „+” M1 „+” R1;
   • Combinația 2 (DA1-C2): con coefficienti parziali essenzialmente su caratteristiche di resistenza A2 “+” M2 “+” R1
     • Pentru proiectarea pilelor și ancorajelor încărcate axial, este necesar să verificați dacă nu există o stare limită de a rupturii sau a deformării excesive cu una dintre următoarele combinații de factori parțiali:
       • Combinația 1: A1 “+” M1 “+” R1;
       • Combinația 2: A2 “+” (M1 or M2) “+” R4.
2. Abordarea 2 de proiectare (Design Approach 2 – DA2):
   • Combinație: Coeficienți parțiai direct asupra efectelor acțiunilor (sau asupra acțiunilor unice) și asupra rezistențelor A1 „+” M1 „+” R2:
     
     
3. Abordarea 3 de proiectare (Design Approach 3 – DA3):
   • Combinație: complex format din DA1-C1 (pentru acțiuni structurale) și DA1-C2 (pentru acțiuni geotehnice) (A1 * sau A2) „+” M2 „+” R3

Eurocod 8 – EC 8

Eurocodul 8, Proiectarea structurilor pentru rezistență seismică, se ocupă de proiectarea și construcția în zone seismice (excluzând centralele nucleare, structurile din larg și barajele mari). Se împarte în 6 părți:

EN 1998-1	Reguli generale, acțiuni seismice, reguli de construcție
EN 1998-2	Poduri
EN 1998-3	Evaluarea și reglarea clădirilor
EN 1998-4	Silozuri, rezervoare și conducte
EN 1998-5	Fundații, structuri de izolare, aspecte geotehnice
EN 1998-6	Turnuri, stâlpi, coșuri de fum

Efectul „local”

Capitolul 3 introduce clase de subsol cu ​​o rigiditate diferită, în funcție de proprietățile terenului. De fapt, fiecare tip de teren are propriile sale caracteristici care influențează vibrațiile cutremurului. Prin urmare, cunoașterea tipului de teren este esențială pentru proiectare și modul în care vibrațiile ar putea evolua. În acest sens, în EN 1998-1 sunt necesare realizarea investigațiilor (în situ sau în laborator) pentru identificarea condițiilor solului: în EN 1998-5 este prezentat ghidul pentru astfel de investigații.

Principalele obiective ale investigațiilor sunt:

• Să permită clasificarea profilului stratigrafic al terenului, pentru a selecta forma spectrală relevantă, dintre diversele posibilități;
• Identificarea comportamentului terenului care dăunează structurii.

Pentru primul punct, EN 1998-1 oferă cinci profiluri de teren: A, B, C. D și E:

În tabelele 3.2 și 3.3 (figura 3 și, respectiv, figura 4) din capitolul EN 1998-1 se raportează valorile parametrului S al diferitelor tipuri de sol (A, B, C, D, E) și valorile relative ale perioadelor de revenire unghiulară TB, TC și TD. Acestea sunt împărțite în tipurile 1 și 2, dacă caracterizarea geologică a sitului nu este inclusă în anexele naționale: Dacă cutremurele care caracterizează situl au o magnitudine statistică a undei de suprafață mai mică de 5,5, se recomandă adoptarea spectrului de tip 2. Factorul S descrie forma spectrului răspunsului elastic, de fapt este înmulțit cu accelerația proiectată a terenului (ag), rezultată din harta zonării. Astfel, condițiile solului condiționează valorile perioadelor de revenire unghiulară TB, TC (funcția S – Figura 5) și forma spectrală corespunzătoare (Fig. 6-7):

Figura 3 – Valori ale factorului S pentru fiecare tip de sol – Tipul 1

Figura 4 – Valori ale factorului S pentru fiecare tip de sol – Tipul 2

Figura 5 – Relațiile dintre S și Tc

Figura 6 – Spectrul de răspuns elastic pentru tipurile de sol – Tip 1

Figura 7 – Spectrul de răspuns elastic pentru tipurile de sol – Tip 2

Analiza pseudostatică – acțiune seismică

În analiza pseudostatică, acțiunea seismică trebuie să fie reprezentată de un set de forțe statice orizontale și verticale care sunt date de produsul forțelor gravitaționale pentru un coeficient seismic.
Componenta verticală a acțiunii seismice trebuie să acționeze în sus sau în jos pentru a produce cele mai nefavorabile efecte. În absența unor studii specifice, coeficienții seismici orizontali (k_h) și verticali (k_v) care afectează toate masele se calculează după cum urmează:

Figura 8 – Relațiile coeficienților seismici kh și kv și factorul r

Unde un element original și, cu siguranță, rațional al EC8 este adoptarea coeficientului r care ține cont de eventualele deplasări admise pentru lucrare:

Figura 9 – Variația coeficientului r

Acțiunea seismică este redusă în funcție de posibilitatea ca lucrarea poate suferi deplasări

Proiectarea împingerii terenului și a apei

Metode generale

Orice metodă bine stabilită, bazată pe dinamica solului și a structurii și susținută de experiență și observații experimentale, este considerată, în principiu, adecvată pentru evaluarea siguranței unei lucrări de sprijin.
Ar trebui să se țină seama în mod corespunzător de următoarele aspecte:

1. comportamentul general neliniar al terenului în timpul interacțiunii dinamice cu lucrarea de sprijin;
2. efectele inerțiale asociate cu masa terenului și cu structura și cu toate celelalte sarcini gravitaționale care pot participa la procesul de interacțiune;
3. efectele hidrodinamice generate de prezența apei în terasament și / sau de prezența apei pe partea externă a peretelui;
4. compatibilitatea dintre deformațiile pământului, ale peretelui și ale tiranților, dacă există

Metode simplificate: analiza pseudo-statică

Modelul de bază pentru analiza pseudo-statică trebuie să fie constituit din lucrarea de susținere și fundația acesteia, printr-o pană de sol din spatele structurii care se presupune că se află într-o stare activă de echilibru (dacă structura este suficient de flexibilă) și, eventual, dintr-o masă de sol aflată la baza lucrării, care se presupune a fi  într-o stare de echilibru pasiv.
Evaluarea E_d poate fi efectuată conform descrierii din anexa E din EC8, în  care se diferențiază următoarele cazuri:

1. Pământ impermeabil sub sarcini seismice sub nivelul apei subterane;
2. Teren cu permeabilitate ridicată chiar și sub sarcini seismice

Figura 10 – Schema interacțiunii dintre lucrări și teren

Împingerea totală proiectată E_d este rezultatul forțelor statice și dinamice ale terenului:

Coeficientul de împingere al terenului

Pământ impermeabil sub încărcături seismice sub nivelul apei subterane

Teren cu permeabilitate ridicată chiar și sub sarcini seismice

ABORDAREA PROIECTĂRII (DA) CONFORM EC7

Coeficienții parțiali se aplică direct acțiunilor sau efectelor acțiunilor și rezistențelor individuale sau rezistenței globale. Pentru caracteristicile soluRILOR, coeficienţii parțial se aplică valorilor caracteristice ale parametrilor (marcați cu „k”) pentru a determina valorile de proiectare corespunzătoare (marcați cu „d”).
Verificarea prevede pur și simplu îndeplinirea inegalității:

Rd ≥ Ed

Abordarea DA1C1

Figura 11 – Aboradarea DA1C1

Coeficienți parțiali aplicați acțiunilor și nu caracterisicile de rezistență a solurilor

Abordarea DA1C2

Figura 12 – Aboradarea DA1C2

Coeficienții parțiali aplicați caracteristicilor de rezistență ale solurilor și nu acțiunilor

Abordarea DA2

Figura 13 – Aboradarea DA2

Coeficienții parțiali aplicați la acțiuni sau direct la efectul acțiunilor (coeficienții γ_E) și la rezistența globală (coeficienții γ_R), și nu la caracteristicile de rezistență ale solurilor.

Efectul abordării proiectării (DA)

Figura 14 – Effetto del Design Approach (AC) – Pentru mecanismul de alunecare există o coincidență substanțială a rezultatelor obținute de abordările DA1C2 și DA2.
Verificările efectuate folosind abordarea DA1C1 sunt mai puțin greoaie (peste ea) –  Pentru mecanismul de răsturnare, verificările efectuate cu abordarea DA2 sunt întotdeauna cele mai greoaie (sub).

Software-ul Geostru efectuează analize și calcule conform Eurocodes pentru a fi proiectat și utilizat și în străinătate. Printre softurile care se referă și la Eurocoduri:

Ziduri de sprijin, MDC: este un produs software destinat proiectarii si analizei zidurilor de sprijin din beton armat, cu fundatii directe sau pe piloti, si, optional, in prezenta ancorajelor.
Programul realizeaza calculul geotehnic folosind, la alegerea utilizatorului, teoriile adoptate in general în geotehnica, efectuand toate verificarile impuse de normativa aleasa, printre care aceea a stabilitatii globale, chiar si in conditii seismice.
Calculul structural realizeaza dimensionarea si verificarea armaturilor, folosind metoda Starilor Limita Ultime sau a Tensiunilor Admisibile.

Stabilitatea taluzurilor – Slope: Software pentru stabilitatea taluzurilor in terenuri afanate sau de roci cu metodele traditionale ale geotehnicii (Echilibrul Limita), si metoda Elementelor Discrete cu care se poate calcula deplasarea taluzului si se poate examina ruptura progresiva. In conditii seismice realizeaza atat analiza statica cat si analiza dinamica.

Capacitatea portanta a fundatiilor de suprafata – LoadCap: Software de calcul pentru capacitatea portanta si tasari dupa metoda Terzaghi, Meyerhof, Hansen, Vesic, Brinch-Hansen, Richards et al., Meyerhof and Hanna (1978) a tasarilor elastice (Timoshenko si Goodier), tasarilor edometrice, Schmertmann, Burland si Burbidge, lichefierii folosid metoda Seed e Idris (1971).
Ultimele implementari includ anexa nationala a EUROCOD 7: SR EN 1997-1/NB/2007 (pentru Romania), oferind astfel posibilitatea verificarii terenului de fundare conform Anexei nationale (RO). De asemenea a fost introdusa si preluarea automata a acceleratiei seismice de varf direct de pe harta seismica a Romaniei..

Sprijiniri pereti mulati palplanse – SPW – Software pentru proiectarea si calculul lucrarilor de sustinere de tip pereti mulati, palplanse (metalice, din lemn sau din ciment armat), pereti din piloti sau micropiloti forati. Metodele de calcul utilizate sunt: Echilibrul limita, Elemente finite. Metodele amintite au o complexitate crescuta atat din punct de vedere numeric, cat si din punct de vedere al calitatii parametrilor geotehnici necesari calculului.

si altul…

Eurocod 1990

Eurocod 1997-1

Eurocod 1998-1

Eurocod 1998-5